REFORZANDO EDIFICACIONES CON FIBRAS DE CARBONO

Autor: Luis Flores Tantalen Ingeniero Civil Gerente Administrativo de Constructora RF SA

Muchas veces un diseo o una construccin deficiente, la corrosin del refuerzo, el cambio de uso de una edificacin o un incremento en las cargas de diseo original, sumados a innumerables efectos ambientales crean la necesidad de pensar en reforzar una estructura. En el Per, histricamente el reforzamiento se ha hecho de manera convencional, ya sea agrandando las secciones estructurales o colocando elementos metlicos que ayuden a tomar las cargas. Sin embargo, cada vez ms se introduce en nuestro medio un sistema de reforzamiento estructural basados en nuevos materiales de alta tecnologa que presenta innumerables ventajas frente a los mtodos convencionales: la fibra de carbono, un polmero 10 veces ms resistente a la traccin que el acero (35,500 kg/cm2 vs. 4,200 kg/cm2) y mucho ms liviano.

Foto 01: Reforzamiento de columnas con tecnologa de punta: Sistema FRP.

QUE ES LA FIBRA DE CARBONO? Este polmero se obtiene de calentar sucesivamente a altas temperaturas (hasta 1500 C) otro polmero llamado poliacrilonitrilo. Este proceso de recalentamiento da lugar a la formacin de unas cintas perfectamente alineadas de casi carbono puro en su forma de grafito, por ello su nombre de fibras de carbono. Aunque su aplicacin en nuestro medio es reciente, el uso de esta fibra no es una novedad en el mundo: hace ms de 30 aos se viene aplicando en la industria aeroespacial y manufacturera de productos de bajo peso, alta resistencia a la tensin y anti-corrosivos, presentando innumerables ventajas en el campo de la construccin.

EL SISTEMA DE REFORZAMIENTO ESTRUCTURAL De todos los sistemas de reforzamiento disponibles, en nuestro medio, el que ms acogida a tenido por ventajas es el de lminas de fibras de carbono. Una o varias capas de lminas son colocadas alrededor o debajo de las secciones de concreto a reforzar, y junto a un sistema adhesivo epxico especial, se logra una total adherencia a la antigua superficie de concreto: el resultado es una capa externa de reforzamiento que ayuda a soportar las cargas del elemento y previene deflexiones excesivas. A este comportamiento se suma su rpida aplicacin y bajo costo, obteniendo un sistema nico basado en materiales de alta resistencia, con una relacin rigidez/peso elevada y muy resistentes a ataques qumicos.

Grfico 01: Los componentes de un Sitema de Reforzamiento FRP.

Estos sistemas FRP (por su nombre en ingls fiber-reinforced polymer) cada vez en el Per son ms usados por muchos factores: los sistemas FRP tienen un costo muy competitivo frente a los sistemas convencionales de refuerzo y un comportamiento estructural muy bueno. Aunque en el Per son pocas las empresas especialistas en su diseo y aplicacin, normado por el American Concrete Institute (ACI) y por los fabricantes de la fibra, este sistema ha terminado convenciendo a todos los componentes de crculo constructivo: los propietarios estn conformes por la versatilidad que ofrece el sistema y su capacidad para modificar el uso de estructuras, los proyectistas an siguen intrigados en las maravillosas propiedades de estos materiales y los contratistas estn satisfechos con su rpida aplicacin y adecuacin a las estructuras. COMO FUNCIONA EL SISTEMA FRP El sistema FRP funciona bien solo cuando se asegura una adecuada adherencia a la cara de concreto. Bajo condiciones ambientales severas, la superficie del concreto puede representar un contacto muy dbil en el proceso de reforzamiento y hay que tener un especial cuidado en esto. Dos factores importantes en el proceso de reforzamiento son la mano de obra especializada en su uso y aplicacin y en control de calidad de la superficie a reparar. Otros factores tambin importantes son: Resistencia a la traccin de la superficie del

concreto. Uniformidad y espesor de la capa de adhesivo. Resistencia y perfecta reaccin qumica del

sistema epxico de adhesin. Geometra del elemento a reforzar. Condiciones ambientales en el momento de la

aplicacin.

Grfico 02: Prcticamente cualquier estructura puede reforzarse con fibras de carbono, como tanques o silos.

Antes de instalar el sistema FRP, se debe preparar la superficie a reforzar tratando grietas o cangrejeras, imperfecciones y limpiando o arenando las barras de refuerzo si estas presentan xido. Es importante mencionar en esta parte que el sistema FRP no est diseado para resistir grandes fuerzas expansivas generadas por la corrosin del refuerzo. LAS LAMINAS DE FIBRA DE CARBONO En el mercado peruano estn disponibles la lminas de fibras de carbono de 0,50 m de espesor por longitud variabble, de acuerdo al requerimiento del diseo. Las fibras de carbono en la lmina vienen alineadas en una sola direccin, direccin en la que se provee la resistencia adicional. Por ejemplo, en el caso del refuerzo de una losa aligerada cuya resistencia se desea aumentar, se disponen tiras de fibras debajo de las viguetas, en el nmero de capas necesario. En una losas armada en dos sentidos, se pueden disponer franjas en ambas direcciones. Luego de la adecuada preparacin de la superficie del concreto, mencionada en los prrafos anteriores, el proceso de aplicacin de un sistema FRP se puede resumir en las siguientes etapas:

1. Ya preparada la superficie de concreto, se aplica una capa de imprimante epxico usando un rodillo especial. Usualmente, este primer producto epxico tiene una baja viscosidad permitiendo su penetracin en el concreto. La funcin de esta primera capa es proveer a la superficie del concreto una adecuada adherencia.

2. Acto seguido, se aplica una masilla o pasta epxica para

rellenar cualquier defecto en la superficie que pueda quedar mayor de de profundidad (Cualquier cangrejera o hueco profundo debe ser rellenado con mortero durante la preparacin de la superficie de concreto, no en esta etapa).

3. Luego, se cubre la superficie con un saturante epxico para

impregnar las fibras secas. Este saturante mantiene las fibras en su adecuada direccin y posicin. El objetivo de esta capa de saturante es rpidamente empapar las fibras y mantenerlas en su ubicacin mientras se inicia el proceso de curado del sistema de reforzamiento. Debido a su alta viscosidad, permite el fcil manejo de la fibra y su correcta aplicacin. Este saturante tambin distribuye los esfuerzos en las fibras y ayuda a protegerlas de las condiciones ambientales y la abrasin.

4. Se cortan y preparan a medida las lminas de fibras de

carbono de acuerdo al diseo del proyecto y se colocan en su lugar, permitiendo que comience a absorber el saturante.

5. Luego de un tiempo de espera determinado que permite

que la lmina absorba la primera capa de saturante, se aplica una segunda capa de saturante para cubrirla.

6. Finalmente, se aplica una capa de acabado que cubre

totalmente el sistema FRP, logrando una apariencia similar a un concreto comn. Esta capa tambin protege a la fibra

de los rayos ultravioletas, ataques qumicos, abrasin, severas condiciones climticas, etc. Es muy importante mencionar que la efectividad de este sistema depende de la pericia y experiencia que debe tener el tcnico aplicador para lograr una adecuada adherencia concreto-fibra, siempre bajo la supervisin de un ingeniero entrenado en este procedimiento. El manejo adecuado de los tiempos de espera entre una y otra capa, los espesores exactos de las capas, y la presin de aplicacin son factores determinantes en la resistencia final del sistema, por lo que no se recomienda su aplicacin en manos inexpertas. Ya conocemos la naturaleza de las fibras, los componentes de un sistema FRP y su aplicacin. Veamos ahora su aplicacin en edificaciones en el Per: APLICACIONES DE LOS SISTEMAS FRP Como hemos visto, los beneficios de este sistema de reforzamiento, y por ello su vasta aplicacin en diversas construccin, se puede resumir en: Peso muy liviano (mnima carga muerta adicional) Alta durabilidad, anticorrosivo y bajo mantenimiento. Rpida instalacin, con el consiguiente ahorro de dinero y tiempo de espera. Mnimo incremente de espesor en la geometra del elemento. Muy flexible, adaptable a todas las formas de los elementos Sus aplicaciones ms usuales vienen determinadas por: Cambios en el uso o cargas en las edificaciones. Defectos en el diseo o construccin. Cambios en las normas de diseo. Daos ssmicos. Deflexiones excesivas, etc. APLICACIONES EN VIGAS Al aplicarse en vigas, el sistema FRP incrementa sensitivamente la capacidad de resistencia a la flexin y al corte en estos elementos. La resistencia adicional es tal, que una viga agrietada por las cargas a las que ha sido sometida, reforzada de extremo a extremo posteriormente con este sistema, puede llegar a superar su capacidad de carga adicional. Al aplicar este sistema en la cara del fondo de la viga, en su longitud, incrementamos su resistencia a la flexin, controlando mejor su deflexin, mientras que si se aplica en las caras laterales, incrementamos su resistencia al corte.

FOTO 02: Reforzamiento por corte y flexin de viga estructural en Edificio Chocavento San Isidro

APLICACIONES EN MUROS DE CONCRETO O ALBAILERIA El uso de este sistema en muros de concreto o de albailera ayuda a absorver las cargas de compresin o laterales (flexin) que se puedan presentar. Se puede usar en placas, muros de sostenimiento, paredes cilndricas de los reservorios, cajas de ascensor, estructuras industriales sujetas a posibles presiones de explosiones, etc.

Grfico 03: Posibilidades de reforzamiento en un muro.

APLICACIONES EN COLUMNAS Una de sus aplicaciones ms usuales consiste en incrementar la resistencia a la flexin y dotar de mayor confinamiento a las columnas. Este es un sistema de bajo costo en comparacin a tener que agrandar la seccin de las columna, con la consiguiente prdida de la apariencia arquitectnica original. Una vez reforzada y recubierta la columna, el cambio en la apariencia es nulo, pero muy significativo en resistencia.

FOTO 03: Preciso instante de colocacin de la fibra sobre el saturante, en una columna. Local de Plaza Vea Higuereta - Surco

APLICACIONES EN LOSAS Al aplicar este sistema de reforzamiento en losas aligeradas o macizas armadas en una o dos direcciones, las cargas de servicio pueden ser sustancialmente incrementadas, manteniendo un control de su deflexin . Otras estructuras que pueden ser reforzadas son tableros de puentes, losas de piso de concreto, losas de estacionamiento, losas industriales, etc.

FOTO 04: Preparacin previa de la superficie en una losa aligerada. Reforzamiento de losa de stano en Local de Telefnica del Per en Surquillo. FOTO 05: Colocacin de la segunda mano de saturante sobre la fibra de carbono.

Como hemos podido observar, las aplicaciones de este sistema son tantas como las necesidades de reforzamiento de una estructura. Y en el campo del reforzamiento estructural, en un Pas altamente ssmico como el nuestro y con muchas edificaciones que han sido construdas por mano de obra sin experiencia, con escasa direccin tcnica y sin respeto alguno de normas o reglamentos, como profesionales debemos estar atentos al uso de estas nuevas tecnologas que nos simplifican la vida con una buena relacin beneficio-costo en comparacin a los mtodos tradicionales.